Kapitel 2

Nährstoffe und anderes – was, woher, wohin?

In den folgenden Kapiteln und den zugehörigen Arbeitsmaterialien werden zunächst die drei Nährstoffe „Kohlenhydrate“, „Fette“ und „Eiweiße“ vorgestellt (Kap. 2.1 / Kap. 2.2 / Kap. 2.3). Sie sind die Hauptbestandteile des „belegten Brötchens“, dessen Weg durch den Körper bis in die Zellen verfolgt werden soll. Erläuterungen zum Vorkommen, zu biologischer Bedeutung und chemischen Eigenschaften dieser Stoffe ermöglichen ein besseres Verständnis für das, was dann mit ihnen im nächsten Schritt, dem Verdauungsprozess, geschieht.
Natürlich ist die Auseinandersetzung mit diesen Stoffen auch eine entscheidende Grundlage, um sich über die eigene Ernährung zielgerichtete Gedanken zu machen und entsprechende Entscheidungen zu treffen (siehe Kap. 6). Das gilt auch für weitere Stoffe die wir über die Nahrung zu uns nehmen , wie Vitamine, Mineralstoffe und auch Schadstoffe.

Zunächst jedoch die Antwort auf die Frage, wo die Nährstoffe und andere mit der Nahrung aufgenommenen Stoffe eigentlich herkommen, vorkommen und letztlich bleiben. Eine vereinfachte Antwort darauf gibt die Abb. L_2-1.
Einige am Ende dieses Kapitels aufgeführten Begriffsdefinition können helfen, die Abbildung und die folgenden Ausführungen besser zu verstehen

Ausgangspunkt der Bildung von Nährstoffen sind Pflanzen und Algen (Produzentenautotrophe Organismen). Sie sind in der Lage, mit Hilfe der Energie des Sonnenlichtes aus Kohlenstoffdioxid und Wasser den energiereichen organischen Stoff Glucose aufzubauen. Als „Abfallprodukt“ entsteht Sauerstoff (1).
Ausgehend von der Glucose und der Verwertung von Nährsalzen werden im Rahmen komplexer Um- und Aufbauprozesse alle weiteren für das Leben der autotrophen Organismen notwendigen Stoffe (Nährstoffe u.a. Stoffe) aufgebaut (2). Einen Teil davon nutzen die autotrophen Organismen zum Körper-Aufbau und als Energiequelle für die Aufrechterhaltung der Lebensvorgänge (3).
Ein weiterer Teil ist Nahrungsquelle (4) für Tiere und Menschen (Konsumentenheterotrophe Organismen). Die aufgenommenen energiereichen organischen Stoffe dienen ihnen beim Körper-Aufbau und als Energiequelle (5).
Sowohl autotrophe als auch heterotrophe Organismen benötigen für die Um- und Aufbauprozesse bzw. die Aufrechterhaltung ihrer Lebensprozesse Sauerstoff und geben Kohlenstoffdioxid an die Umwelt ab.
Der Abbau toter organischer Substanz (6) (Ausscheidungen bzw. abgestorbene Organismen oder Organismenteile, z.B. Blätter) führt letztendlich zur Entstehung von Nährsalzen. Verantwortlich dafür sind vor allem Pilze und Bakterien (Destruentenheterotrophe Organismen) (7). Ein Kreislauf wird damit geschlossen.

Die mit diesem Stoffkreislauf verbundenen Vorgänge des Stoffauf-, um- und -abbaus übersteigen in ihrer Komplexität, Flexibilität und Vielfalt jeden Prozess, den wir heute mit Hilfe von Hochleistungscomputern und anderen Technologien verwirklichen können, um ein Vielfaches.

Abb. L_2-1 Nährstoffe: Woher? Wohin?

Abb. L_2-1 Stoffkreislauf / Nährstoffe: Woher? Wohin?

Hilfen zur Abb. L_2-1 „Stoffkreislauf / Nährstoffe: Woher? Wohin?“:

Nährstoffe (engl.: nutrient)
Nährstoffe sind weitestgehend organische Stoffe, die zur Lebenserhaltung im Rahmen des Stoffwechsels (siehe Kap.1) dienen. Es sind vor allem Kohlenhydrate, Eiweiße und Fette.

Nahrungsmittel (engl.: food)
Nahrungsmittel sind Bestandteile pflanzlicher oder tierischer Herkunft, die im Rahmen der Ernährung den menschlichen Körper nicht nur mit Nährstoffen, sondern auch mit weiteren lebensnotwendigen Stoffen (z.B. mit Vitaminen, Mineralstoffen, Spurenelementen etc.) versorgen.

Lebensmittel (engl.: food)
Dabei handelt es sich um eine zusammenfassende Bezeichnung für alle Stoffe, die dazu bestimmt sind, zum Zweck der Ernährung oder des Genusses in rohem, zubereitetem, be- oder verarbeitetem Zustand von Menschen aufgenommen zu werden.
(nach: http://www.lebensmittellexikon.de/l0000300.php)

Nährsalze (engl.: nutrient salt)
Nährsalze sind anorganische, energiearme Stoffe, die von den autotrophen Organismen benötigt werden, um damit im Zusammenspiel mit den Fotosyntheseprodukten eigene Biomasse aufzubauen. Nährsalze werden meistens in Ionenform aufgenommen. Sie enthalten u.a. Elemente wie Stickstoff, Phosphor oder Schwefel.

autotroph (griech.: autos „selbst“ / trophé „Ernährung“) (engl.: autotrophic)
Autotrophe Organismen sind in der Lage aus anorganischen Stoffen organische aufzubauen. Grünen Pflanzen und Algen gelingt dieses mit Hilfe der Energie des Sonnenlichtes.Die organischen Stoffe dienen ihnen zum Aufbau des Körpers und als Energiequelle.

heterotroph (griech.: heteros „fremd“ / trophé „Ernährung“) (engl.: heterotrophic)
Heterotrophe Organismen benötigen energiereiche organische Stoffe zum Aufbau ihres Körpers und als Energiequelle.

Stoffkreislauf (engl: cycle of substances / biogeochemical cycle)
In der Biologie beschreibt ein Stoffkreislauf die sich wiederholende zyklische Umwandlung von anorganischen und organischen Stoffen unter Beteiligung von Organismen und Sonnenenergie.

 

Die Bedeutungen von Nährstoffen bzw. Nahrung war den Wissenschaftlern und Ärzten seit dem Altertum bekannt, ohne, dass sie genau erklären konnten, was es damit auf sich hat.

Hippokrates von Kos (460 bis 370 v. Chr.) wird als einer der bedeutendsten Ärzte der Antike (ca. 800 v. Chr. – ca. 600 n. Chr.) angesehen. Ihm wird unter anderem der Spruch „Lass die Nahrung dein Heilmittel sein“ zugeschrieben. Er formulierte diesen Satz aufgrund verschiedener Beobachtungen, wusste jedoch nicht, was mit den Bestandteilen der Nahrung in unserem Körper passiert. Mit seiner Vermutung, dass es sich bei Krankheiten um eine Störung des „Gleichgewichtes“ im Körper handele, lag er gar nicht so falsch. Um die Gesundheit zu unterstützen, empfahl er u.a. eine Umstellung der Lebensweise, auch in Hinblick auf die Ernährung.

Fast 2000 Jahre später, im Zeitalter der Renaissance ( ca. 15. und 16. Jh.), wurde erstmals auch experimentell und systematisch zu den Vorgängen im menschlichen Körper geforscht.
Santorio (1561-1636), ein italienischer Arzt, führte erstmals Krankheitszustände auf physikalische und chemische Veränderungen im Körper zurück. Dementsprechend entwickelte er Geräte bzw. Experimente, die darüber genaueren Aufschluss geben sollten.
Mit Hilfe seiner so genannten „Stoffwechselwaage“ (Abb. L_2-3) konnte er im Selbstversuch ermitteln, dass es eine Differenz zwischen der aufgenommenen Nahrung und der Stoffabgabe (Kot und Urin) gibt. Er führte dieses auf „unmerkliche Ausdünstungen“ über Haut und Lunge zurück. Außerdem benutzte er als einer der ersten Ärzte ein Thermometer. Dabei handelte es sich um ein so genanntes „Luftthermometer“ (Abb. L_2-4), das in den Mund gehalten wurde und die Temperatur über die Ausdehnung von Flüssigkeiten messen konnte.

Abb. L_2-2 Hippokrates

Abb. L_2-2 Hippokrates

Der Franzose A. Lavoisier (1743-1794) entdeckte im Rahmen seiner Experimente mit dem von ihm entwickelten „Kalorimeter“ (Abb. L_2-5), dass ein Körper in Abhängigkeit von der aufgenommenen Nahrung und aktuellen Arbeitsleistung unterschiedliche Mengen an Wärme produziert (siehe auch Kap. 5.1). Damit wurde ihm klar, dass das Leben von chemischen Prozessen bestimmt wird.Zum Kalorimeter geben folgende Internetquellen weitere Informationen.

Abb. L_2-3 Santorio

Abb. L_2-3 Santorios / Stoffwechselwaage

Abb. L_2-4 Guericke_Luftthermometer

Abb. L_2-4 Guericke / Luftthermometer

Abb. L_2-5 Kalorimeter

Abb. L_2-5 Lavoisier / Kalorimeter

IconLink
http://de.wikipedia.org/wiki/Kalorimetrie (Zugriff: 2014-02-14)
https://de.wikipedia.org/wiki/Antoine_Laurent_de_Lavoisier (Zugriff: 2015-06-12)
Icon_Film http://www.wdr.de/tv/kopfball/sendungsbeitraege/2012/0422/lebensmittel.jsp (Zugriff: 2014-02-14)

Welche genaue Bedeutung den Nährstoffen im Rahmen des Stoffwechsels zukommt, wurde erst ab Mitte des 19.Jh. erforscht bzw. aufgeklärt. Dabei wurde auch deutlich, dass alle Nährstoffe immer drei Elemente aufweisen: C (Kohlenstoff), O (Sauerstoff) und H (Wasserstoff). Deren Häufigkeit und Anordnung im Molekül – bei Fetten und Proteinen ergänzt durch weitere Elemente – machen die Besonderheit eines jeden Nährstoffmoleküls aus.

Im Rahmen dieses Projektes werden die Bestandteile der Nahrung bzw. Lebensmittel jedoch nicht nur hinsichtlich ihrer klassischen biologischen Bedeutung dargestellt. Soweit möglich(!) werden auch Sachverhalte behandelt, die deutlich darüber hinausgehen.
Die folgende Abbildung (Abb. L_2-6) erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, zeigt aber Aspekte, die ebenfalls Bestandteil der Leittexte und der Arbeitsmaterialien sind.

Abb. L_2-6 Sichtweisen auf Nährstoffe, Nahrungs- und Lebensmittel

Abb. L_2-6 Sichtweisen auf Nährstoffe, Nahrungs- und Lebensmittel

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